Introducción a los receptores GNSS de bajo costo

Sistemas GNSS (1). Software de código abierto, proyectos DIY, aplicaciones en el mundo real

José Ramón Martínez Batlle
(Tw: @geografiard; GitHub: @geofis)

Universidad Autónoma de Santo Domingo
4-8 de septiembre, 2023
Santo Domingo, República Dominicana
https://geofis.github.io/rtk-para-todos/curso-sep23-t1.html

PREÁMBULO

Portal del curso

https://geofis.github.io/rtk-para-todos/curso-sep23-00-portal.html

Autopresentación (a las 4 pm, en el aula FC-101)

  • Incluye nombre, profesión, municipio de residencia, expectativas y cualquier otro detalle que quieras agregar.

Recomendaciones

  • Tumba el miedo a la consola de comandos.

  • Cambia la expresión “da error” por “obtuve un error que me parece tiene que ver con , el cual dice lo siguiente: . Intenté resolverlo por mi cuenta mediante , pero no tuve éxito”.

  • Bájale todo lo que puedas a las expectativas. La fortaleza de este curso no es su contenido, sino la libertad. Te adelanto que el contenido será mínimo, pero al menos conocerás soluciones libres para aprender el enorme volumen de temas restantes.

¿Qué son los sistemas globales de navegación por satélite (GNSS)?

  • PNT: position, navigation and timing.

  • Dead reckoning

  • El recurso más eficiente disponible son los sistemas de navegación por satélite.

  • Las versiones con cobertura global de estos sistemas, se denominan sistemas de navegación global por satélite o “GNSS” (siglas de Global Navigation Satellite Systems)

  • Un GNSS es un sistema que permite (pero no sólo) determinar la posición de un objeto en la Tierra utilizando señales emitidas por satélites en órbita. GPS, GLONASS, Galileo y BeiDou, son ejemplos de sistemas GNSS.

  • La modalidad que provee coordenadas precisas al instante se denomina “navegación cinética satelital en tiempo real” o “GNSS-RTK” o, simplemente “RTK” (de real-time kinematics).

  • Tanto la tecnología GNSS en general, como su modalidad RTK, son muy útiles en aplicaciones de geografía física (especialmente en geomorfología), agrimensura, topografía, agricultura de precisión, entre otras disciplinas.

Comparación entre técnica estándar y basada en onda portadora

Basada en códigos pseudoaleatorios (estándar) Posicionamiento preciso (basada en onda portadora)
Observaciones Pseudorango (de códigos) Onda portadora + pseudorango
Precio de receptor Baratos, ~US$100 Muy caros ~US$10,000-40,000
Exactitud 3 m (H), 5 m (V) 5 mm (H) 1 cm (V) (modo estático)
Aplicaciones Navegación marítima, búsqueda y rescate Topografía, mensura, cartografía de alta precisión

Los costos son para equipos funcionales listos para usarse, “apenas sacados de su empaque”

Limitaciones globales

  • Alto costo de equipos listos para usar.

  • Predominio de soluciones de software privativas.

  • Red de CORS pública de poca densidad.

  • Redes privadas existentes y densas, aunque de costos elevados.

Software libre, software de código abierto

Según Slava Todavchich, Moqod.com

Hardware libre

  • Son componentes físicos de computadoras y otros dispositivos que están diseñados de manera abierta y pública

  • Las especificaciones, diagramas esquemáticos y todo el material necesario para fabricar, modificar y reparar el hardware son de acceso público.

  • Al igual que en el caso del software libre, el objetivo es fomentar la colaboración, la innovación y la libertad de los usuarios para adaptar el hardware a sus necesidades específicas.

  • Los receptores GNSS, aunque sean de bajo costo, no son necesariamente libres.

Un ejemplo de proyecto DIY (“hazlo tu mismo”) que incluye FLOSS, hardware libre y cerrado

  • Se trata de un proyecto autofinanciado, que constituye un soporte esencial para otras múltiple investigaciones en marcha.

  • Por lo tanto, su importancia radica en la capacidad de soportar múltiples aplicaciones en geografía y mensura (entre otras áreas) a bajísimo costo y con soluciones libres, SIN SOFTWARE PRIVATIVO NI HARDWARE COSTOSO.

Fabricantes de receptores GNSS con capacidad RTK

  • Trimble, Leica, Topcon, NovAtel, JAVAD, …

  • u-blox, Septentrio, Skytraq, ComNav Technology, Unicore Communications …

Soluciones de software libre / código abierto

  • La mayor parte de los equipos anteriores usan software privativo creado por el fabricante. Por lo tanto, con dicho software no es posible:

    • Estudiar ni mejorar las soluciones.
    • Compartir el código con colegas.

  • En cambio, con software libre/código abierto, sí es posible.

Aplicaciones

  • Monitoreo de deslizamientos, fallas.

  • Mensura.

  • Fotogrametría con UAV.

  • Construcción, monitoreo de edificaciones y estructuras (puentes)

  • Agricultura de precisión.

  • Detección de tsunamis por boyas GNSS.

  • Sistemas de transporte, vehículos autónomos.

  • Sistemas de cartografía móviles (Street View).

  • Niveles de lagos, humedad de suelo, etc., por medio de reflexión GNSS.

  • Estimación de vapor de agua de atmósfera.

¿Cuándo comencé?

  • En 2018 construí una solución monobanda.

  • Dicha solución, aunque útil para determinadas aplicaciones, fallaba en determinados ambientes para converger eficientemente (AR).

¿Cuándo comencé?

  • Desde entonces me concentré en:

    • Construir una solución integral, que incluyera base y rover ambos de doble frecuencia.

    • Crear scripts de operación básicos, así como mejorar/adaptar software de terceros, basándome sobre todo en RTKLIB.

MATERIALES Y MÉTODOS

Hardware

Partes adquiridas para equipo de colecta (Financiamiento: “SALARIO-CyT”)

Parte Costo aprox.
Base o rover, los imprescindibles: receptor, RPi, antena. US$340
Adaptador de corriente, palo, trípode, conectores, cables, carcasa, batería US$240

- No se incluyen fletes.

- Para una base fija tipo CORS, se deben añadir los costes del soporte de hierro (~US$40) y el cable (el valor dependerá del calibre elegido y la longitud del mismo). Otros complementos deseables son un tribrach (base nivelante), protección contra rayos y una estación meteorológica.

¿Qué es una Raspberry Pi?

Software

RTKLIB

  • Biblioteca RTKLIB (primera versión, 2007), por Tomoji Takasu (T. Takasu, 2011; Tomoji Takasu & Yasuda, 2009)

RTKLIB

RTKLIB

BashRTKStation

RTKBase

  • Fork propio de RTKBase para usarlo:
    • En la base.
    • También en el rover, pues tiene capacidad de envíar correcciones RTCM3 a receptor.

Centipede

RTKMisc

Iniciativas recientes

  • GEODNet

  • Empresas: Emlid, AlphaGeo

Algunos resultados

Solución PPP para la base (NRCAN)

Solución PPP para la base (NRCAN)

Comparación soluciones NRCAN y AUSPOS

Campus UASD

Playa Najayo

Playa Najayo

Obras

Mensura

Hundimiento en César Nicolás Penson

rtk2go. Servicio público

- URL: rtk2go:2101, Mountpoint: geofis_ovni - Status: http://rtk2go.com:2101/SNIP::MOUNTPT?NAME=geofis_ovni

PERSPECTIVAS

  • Dar capacitaciones básicas. Apoyo personas abiertas a Linux, software libre y consola de comandos.

  • Monitorear deslizamientos.

  • Caracterizar granulometría de carga gruesa superficial de lechos de río/llanura de inundación mediante UAV.

  • Monitorear deformación en SD, con énfasis en la UASD.

REFERENCIAS

Takasu, T. (2011). RTKLIB: An open source program package for GNSS positioning. Tech. Rep., 2013. Software and Documentation.
Takasu, Tomoji, & Yasuda, A. (2009). Development of the low-cost RTK-GPS receiver with an open source program package RTKLIB. International symposium on GPS/GNSS, 4–6. International Convention Center Jeju Korea.